学术简报｜改进型偏差耦合多电机转速同步控制
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天津市电机系统先进设计与智能控制技术工程中心（天津工业大学）、天津大学电气自动化与信息工程学院的研究人员耿强、王少炜等，在2019年第3期《电工技术学报》上撰文指出，传统偏差耦合多电机同步控制系统中，系统的跟踪性能与同步性能相互耦合，难以兼顾。此外，在多电机系统起动阶段，传统偏差耦合控制结构跟踪误差补偿量较大，在输出限幅的作用下，各台电机电流环输入参考转矩相等，而负载不均导致各台电机加速度不等，致使转速同步误差增大。
针对以上问题，该文首先运用线性系统校正原理设计了改进型偏差耦合控制结构，实现了系统的同步性能与跟踪性能的解耦调节；并在转速环部分增加了输出选择器，设计了输出选择函数，将跟踪误差补偿量按一定比例减小至限幅值以下，使得同步误差补偿量的作用更加突出，在多电机系统起动阶段减小了系统同步误差。最后在3台永磁电机平台上进行了仿真和实验，结果验证了该文所提改进型偏差耦合控制结构的有效性和可行性。
随着工业生产自动化水平的不断提高，多电机系统越来越多地应用到各个工业行业。按电机间介质连接方式，多电机系统可分为刚性耦合系统、柔性耦合系统及无耦合系统。在刚性耦合系统中，电机轴间通过齿轮等硬介质相连接，可以做到电机转速强制同步，但存在齿隙导致的振动等问题；在柔性耦合系统中，电机间通过皮带、纸张等柔性介质相连接，同样也存在着柔性介质材料不均导致的张力不稳等问题；而在无耦合系统中，通过整体的控制结构设计与对电机、控制器的建模分析，将各台电机的转速、转矩或位置信号在控制结构上进行耦合，去除了电机间物理连接介质，避免了摩擦力、弹力等对多电机系统的影响。
在无耦合系统中，偏差耦合控制结构因可靠性好、耦合程度高、可控电机数量多而被广泛用于多电机转速同步控制场合。文献[10]最早提出偏差耦合控制结构，该文解决了无耦合系统中3台及3台以上电机场合的转速同步问题。但由于该结构需要将系统中所有电机的速度信号分别输入到各自电机前端补偿模块中进行相关运算，存在着转速补偿机制复杂的问题；并且由于转速环控制器参数的选择会同时影响系统的跟踪性能与同步性能，所以在保证系统快速性与稳定性的前提下难以同时兼顾系统的同步性能。
对此，有学者将现代智能控制方式，如滑模变结构控制、模糊控制、预测控制等，运用到单台电机控制系统中，通过提高单台电机的跟踪性能来提高系统的同步性能。然而在传统偏差耦合控制结构上运用这些现代智能控制方式会进一步加大系统的复杂程度。文献[15]对传统偏差耦合控制结构的补偿环节进行了简化，增加了系统转速控制环节，在一定程度上对系统的同步性能与跟踪性能进行了解耦调节，解决了传统偏差耦合控制结构的同步性能调节困难的问题。
为了使偏差耦合控制结构在稳态、负载扰动和电机起动时都表现出优良的同步性能，同时降低结构的复杂程度，提高系统的快速性与可靠性，本文针对传统偏差耦合控制结构中，调节转速环参数不能同时使系统跟踪性能与同步性能达到最优的问题，推导出传统偏差耦合控制结构的跟踪误差数学模型和同步误差数学模型，并进行比较分析和化简，得出相对独立的两个数学模型结构，进而反向推导，设计出满足以上要求的改进型偏差耦合控制结构。
并且针对系统在起动时同步误差较大的问题，设计了输出选择器，根据同步误差补偿量与限幅量将转速环输出量进行在线调节去饱和。最后搭建了3台电机仿真与实验平台，与传统偏差耦合控制结构的同步性能和跟踪性能进行了比较。
图7 实验平台
本文所设计的改进型偏差耦合控制结构适用于3台及3台以上电机且对同步性能有较高要求的多电机协同控制系统，其特点如下：
1）设计了新型多电机系统偏差耦合控制结构，实现了系统的同步性能与跟踪性能的解耦调节。
2）采用比例-积分控制的同步误差补偿器替代了传统偏差耦合控制结构中只含比例控制的转速补偿环节，减少了误差的调节时间，使用自身转速与平均转速作为输入量，相对于传统偏差耦合控制结构减少了在线计算量。
3）在转速环控制器中增加了选择输出器，在电机负载不均起动时，在同步误差比例补偿量与限幅量的参与下，将转速环比例部分补偿量进行在线调节去饱和（使之小于限幅值），后经同步补偿作用，使得转速在平均转速以下的重载电机参考转矩相对较大，转速在平均转速以上的轻载电机参考转矩相对较小，减小了起动阶段系统的同步误差。